VPSA-O2体系性能影响要素及控制
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇VPSA-O2体系性能影响要素及控制范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
浆厂的氧脱木素废液逆流到黑液提取段而进入碱回收系统，可减少漂白废水中的BOD、COD、色度和总有机氯的含量，降低漂白工序漂剂用量和漂白废水污染负荷［1］。瑞典政府规定新建漂白纸浆厂须采用氧脱木素。纸浆的氧脱木素、氧碱抽提、污水处理、纯氧曝气所需要的氧气纯度不太高(90%～94%)。作为浆厂氧气源的空分系统若采用深冷精馏，可同时产氧、氮和稀有气体，但是浆厂对氮气和稀有气体的用量不大。海南金海浆纸业有限公司(JHPP)120万t/a漂白化学木浆生产线［2］配套的KDON(Ar)-2770/3200/60型深冷空分设备，氧气产量2770m3/h。此外，深冷精馏设备在带压、低温下运行，安全性要求高。在相同制氧能力情况下，比低温装置总投资低、设备运行更安全、产量可根据用户工况调整、电耗少、冷却循环水量少、机组占地面积小等优点的真空变压吸附(VPSA，也称穿透大气压真空解吸或超大气压吸附真空解吸)制氧设备是利用空气中的氮气和氧气在分子筛上因压力不同而导致吸附性能存在差异，而在常压或比常压高的状态下物理吸附，在真空状态下解吸所吸附的杂质，使氧气和氮气分离。vpsa-o2系统在设备投资、操作成本方面的竞争力使其在20世纪90年代后期应用于浆厂。日本32家纸厂VPSA-O2系统每个月的氧气年产量达到7.7×106m3［3］。贵州赤天化年产20万t竹浆项目配套的VPSA-O2系统［4］，氧气产量1210m3/h，达到氧脱木素、漂白对氧气纯度等的要求。但VPSA-O2系统的性能受吸附器内的吸附剂、吸附器的内部结构、吸附器进出口所涉及的其他设备和控制系统元件性能的制约。
1VPSA-O2系统的工艺过程
对于VPSA-O2系统，来自大气的空气过滤微量机械杂质后，经脱硫槽(或脱硫罐)吸附SO2、H2S等气体后，用鼓风机将空气加压，经过换热器冷却，进入多台吸附器中的一个吸附器的底部，经过吸附器内的多种吸附剂层使空气中的H2O、CO、CO2、烃类物质等依次被吸附在专用吸附剂层，空气中的绝大部分氮气被吸附;吸附器的吸附剂内被吸附的H2O、CO、CO2、烃类、氮气等由真空泵抽出而排入大气;作为非吸附的组分，连续获得的产品氧气从吸附器顶部排出进入氧气缓冲罐，再经氧气增压机增压至0.8～1.5MPa后送至纸浆氧漂工段。上述过程中，吸附器经过吸附、顺向放压、抽空或减压再生、冲洗置换和均压升压等步骤，周期性地重复操作。在同一时间，各个吸附器分别处于不同的操作步骤，在计算机的控制下由切换阀定时切换。
2吸附器
VPSA-O2系统的吸附床的外壳一般为立式塔设备———吸附塔，工作时承受交变压力，有负压情况，一般属于Ⅱ类压力容器。吸附器的数量与氧气的收率、分子筛利用率、循环时间、设备造价和切换阀的数量有关，还要考虑管道泄漏导致的氧气损失。VPSA-O2系统采用多塔流程(三塔、四塔或五塔)，一般采用三塔流程，吸附与解吸交替进行，持续产出氧气。在由多种吸附剂组成的复合床中，由活性氧化铝或专用分子筛吸附原料空气中所含的水分，再由沸石分子筛或专用分子筛进行氮气吸附。
2.1分子筛的选择和使用
分子筛是VPSA-O2系统的“心脏”。对VPSA-O2系统分子筛性能的要求是:吸附性能好、产量高、氧气纯度稳定;分子筛的颗粒均匀、强度高、耐磨性好、寿命长。分子筛性能好，则VPSA-O2装置的规模可以适当大一些。常用的分子筛吸附剂有5A、10X、13X、N-2、CaA、NaX、CaX、LiX、CNA-198、Li.X.RE、HX5A-980等。空气通过装有CaA分子筛的吸附塔时，因为氮气的四极矩比氧气的四极矩大得多，CaA分子筛微孔表面的Ca2+对氮气的作用力比对氧气的强，氮气优先被吸附，使流出吸附塔的氧气作为产品。CaA分子筛使用寿命可达10年以上。但是，CaA分子筛吸附剂对氮气的吸附容量和选择性仍不够高，致使变压吸附空分制氧收率较低，能耗较高。与CaA和NaX相比，具有对氮气更大吸附容量和更高选择性的LiX沸石分子筛，在制氧机产氧气量一定时，可以减少分子筛用量，降低空氧比，从而降低制氧机的能耗，减小制氧机的体积。锂离子交换度高的低硅铝比X型分子筛LiLSX，因为Li+半径较小，对氮气的作用力也比对氧气大得多。LiLSX分子筛中的Li+数目要比CaA分子筛中的Ca2+数目多一倍，可吸附更多的氮气。LiLSX分子筛用于变压吸附空分制氧，用量只是CaA分子筛的1/4～1/5，可使投资降低，氧气收率提高，能耗大大降低。但是，外国公司的LiLSX分子筛吸附剂要求和设备一起销售，因此价格昂贵。以Bayer公司配方作为原料而在国内加工的分子筛的氮气吸附容量、选择吸附性、扩散速率和强度也较好。约为CaA分子筛价格5倍的锂基分子筛PU-8，氮氧分离系数是传统制氧分子筛的2～5倍，氮气吸附容量在常温常压下为22mL/g，是传统制氧分子筛的2～3倍，而且解吸速率快，并且有较高的强度和较低的含水率，不仅分子筛用量少、使用寿命保证在10年以上。LiX分子筛性价比不如CaA分子筛。过渡金属络合物吸附剂对氧气选择性更高。例如，Li.X.RE分子筛。在空气中，H2O与NOx、SO2、H2S、HCl、Cl2等形成的酸破坏分子筛。原料空气中含有的SO2、CH4、CO2、C2H6、C2H2和灰尘杂质，如果超过规定的含量，会导致分子筛慢性中毒，影响其使用寿命。因此，JB/T6427—2001变压吸附制氧、制氮设备关于原料空气的要求如下:大气中酸性气体含量不大于0.8dm3/m3，机械杂质含量＜30mg/m3，CO2含量≤35dm3/m3，C2H2含量≤0.05dm3/m3，CnHm含量≤3dm3/m3，含油量≤1cm3/m3。分子筛含水量超标或鼓风机漏的油带入分子筛时，必须更换分子筛。真空泵突然停机时，吸附器的入口阀无法自动关闭，倒流进入吸附器的冷却水也会破坏分子筛。在VPSA-O2系统逆放、顺放及吸附中逸出吸附器的分子筛粉末，有时甚至会堵塞切换阀，使氧气产量和氧气纯度降低，而被迫停车检修阀门。分子筛粉化后的粉末进入真空泵、氧气压缩机，导致设备无法运转，不得不在吸附器出口管道增加过滤缓冲罐。购买不同批次而质量有所不同的吸附剂搭配使用，或者新旧吸附剂搭配使用，也会造成VPSA-O2系统运行中吸附剂的粉化。吸附器进气压力、抽气真空度过高，会加剧分子筛粉化。切换阀的开度过小，使最终充压压力小于吸附压力就切换至吸附，造成分子筛粉化。在多个吸附器切换时，备用吸附器的压力充不到正常值，使分子筛易粉化。气体流量过大产生的高速冲击，使分子筛抗侧压的强度下降偏多而在反复的均压过程中损坏。系统的原料气不稳定，开停车频繁也对分子筛的粉化有影响。分子筛吸潮严重而使多余水分带入、装填时铺不匀、未按规定对分子筛床层压紧，导致分子筛粉化。在分子筛的装填中，为了确保分子筛的堆积密度最大［5］，用枕木装置撞击分子筛界面部位;每加入一定量分子筛后，人工夯实分子筛间隙;从吸附器底抽真空，利用气体的压力压紧分子筛。
2.2吸附器及其结构
吸附器的直径和长度关系到分子筛使用量。分子筛使用量过少，易引起床层穿透，使产品氧气纯度下降。在分子筛使用量一定的情况下，尽可能降低吸附器的长度，使吸附器的直径适当大一些。在设计时，若选择的床层气体流速过大，可能会使吸附剂颗粒产生磨损。吸附剂的吸附压力及解吸压力比值选择得大一些，即选择的鼓风机和真空泵的功率高，可以使吸附剂用量少。床层过厚，会造成床层阻力过大，使鼓风机和真空泵能量消耗过大。合理的压紧装置，阻止分子筛因为相互碰撞而粉化。分子筛压紧装置应能保证将分子筛压实压平，避免吸附剂粉末被真空泵抽出而降低产品氧气纯度。吸附器筛板的结构［6］为:丝杆压紧、弹簧压紧、气囊压紧等自补偿压紧装置和固定压紧的法兰结构等。在分子筛产生间隙后，气缸自补偿式压紧装置的外力压分子筛上的筛板，自动填补产生的空间。在分子筛上面铺一定量的瓷球，利用瓷球的重量自动补偿分子筛减少的空间。在吸附器封头处采用固定压紧的法兰结构，封头下截面安装筛板，分子筛装填时略高于法兰面，在分子筛表面铺设多种孔隙的丝网和特殊的过滤层，依靠螺栓的紧固力减缓分子筛的粉化。运行时，一定压力的密封气(90%纯度的氧气)自床膜顶部通入，以抵消下部进气对床膜产生的向上冲击力。床膜密封性能好，膜压足够高可以杜绝系统膜压低联锁造成的停车事故。此外，床膜材料［7］的抗磨损性能要能够适应床内压力的频繁变化的影响，以避免膜的破裂。膜多处黏合的密封胶，要适应床温的变化。因为，黏接处黏接强度高可以防止开胶造成的泄漏。吸附器的内部结构如果设计不合理，会使装入吸附器的分子筛受到气流冲击而产生过大的位移，甚至粉化。尤其是分子筛服役很长时间后，分子筛的间隙减小而逐渐下沉。在吸附器的结构设计中，合理的气流分布装置，可以减少吸附床的死区、避免气流对分子筛的直接撞击，延长分子筛的使用寿命。吸附器的分布器上设置鼠笼［8］避免瓷球进入分布器通道，且利于气流分布;鼠笼外表面包的不锈钢丝网，避免瓷球中大颗粒灰尘进入;上封头填满的瓷球以减少氧气在抽真空过程中的损失。在吸附器最底层，吸附床内壁设置胀圈连接，外圈通过固定在孔板上的螺栓，再通过环形压板对不锈钢丝网进行压紧固定，内圈均布多个孔板螺栓。为了保证钢丝网避免断丝、破损造成的吸附剂泄漏，在螺栓穿出孔板的位置，以螺栓中心为中心，设置一块正方形的板，并将穿出孔板的螺栓切除，对应设置方板和支撑件，使孔板、方板、支撑件及螺栓焊接成为整体。在吸附器的最底层增加强度较高的瓷球，以避免吸附剂受气流的直接冲击。
3流程中其他设备和元件
在VPSA-O2系统中，鼓风机的吸风口装设高效空气过滤器，可减缓分子筛吸附剂经反复吸附和再生之后的劣化。鼓风机进口空气过滤器的过滤棉在大气环境较干净时的更换周期适当长一些，否则要短一些。吸附器进口设置的自洁式空气过滤器，使进入吸附器的空气中的灰尘、油雾被全部过滤掉，以免分子筛慢性中毒。分子筛本身吸附放出的热使吸附器存在温度交变而产生交变应力，若在吸附器进、出口设补偿器(例如波纹管)可以缓冲交变应力。与吸附塔连接的管道适宜设计补偿器可以防止管道振动引起塔内分子筛振动而影响其使用效果。吸附器出口设置缓冲罐，使氧气量波动降到可允许的水平。在吸附器进气管路阀门前增设手动阀，限制进气量，减小对吸附床的冲击。在寒冷的北方，由于冬季的气温过低而使分子筛的性能偏离设计工况，因此有必要在分子筛吸附床前增设空气预热设备。原料空气鼓风机出口配置的空气热交换器(例如翅片管式换热器)，使进吸附器原料空气的温度合适，确保分子筛的性能、氧气产量和纯度。
3.1鼓风机
在VPSA-O2系统中，为了给吸附器提供变压吸附所需的增压空气，使用离心鼓风机或罗茨鼓风机对空气进行增压，一般采用罗茨鼓风机。鼓风机的故障会影响吸附器的工作。单进气悬臂式离心鼓风机与罗茨鼓风机相比，防振效果好一些，而且在空气增压过程中，气体与油无接触，可以减少空气的预处理工序。如果使用离心式鼓风机，则要防止因用电中断而稀油站给油压力不足、不良所导致的负荷端轴瓦合金被烧坏。鼓风机振动的危害有:带动附属的测温、测振探头共振，甚至探头松动或损坏而发出误报警停车信号甚至导致运行中的连锁停车;造成风机出口消音器的地脚螺栓被震断;使固定在工艺管道上的电磁阀长期运行后松动，导致电磁阀不动作，使对应的切换阀不能及时动作，引起VPSA制氧机故障停车;紧靠主控室的鼓风机振动在主控室内产生的噪声影响值班人员的正常操作和身心健康;露天摆放于鼓风机房外、长期风吹日晒的PLC控制柜受到鼓风机振动影响而发生PLC程序丢失和错乱故障。减轻鼓风机振动的措施［9］:鼓风机进出口直流连接接头安装不能过紧，以免风机振动较大;机组安装时，灌浆材料采用环氧树脂使地脚螺栓坚固，以减小振动的危害;鼓风机滚动轴承进行摩圣表面再生技术处理后，鼓风机的轴振明显降低;鼓风机进出口温度检测使用的全铜铠装式热电偶的卡套式可动螺纹连接方式使其检测面以上长度适当缩短，以确保抗振能力;LOC-TITE680金属黏接剂将高强度磁性轴振探头底座固定于机壳上，避免测振传感器的探头底座松动，对接线端头作镀锡处理以防止接线端头虚接，在探头底座和探头之间螺栓固定的基础上再次黏接。
3.2真空泵
在VPSA-O2系统中，罗茨真空泵或水环式真空泵将吸附器内吸附剂吸附的气体抽走后排到大气中。一台吸附器一般配置一台罗茨真空泵。如果使用水环式真空泵，则要防止油被污染以免减速机滚动轴承的滚动体或滚道表面产生疲劳裂纹，还要杜绝减速机板式换热器堵塞而造成的油温升高和供油压力低的故障。真空泵冷却水循环泵及管路系统的正常运行，意味着冷却水的水压正常。在密封水水质一般的情况下，适当增加减速机换热器的冷却面积，以保证换热效果。密封水反渗透系统得到的软水由于改善冷却水的水质而保证真空泵的长期稳定运行。如果设计成2套循环水系统使管路互为备用，则可以确保冷却水的保障能力。有时，冷却水输送选用旧管道，一定要使管道通径和阻力损失、水量结合起来考虑，以免由于解吸压力低于设计要求而造成不利影响。在真空泵进口安装过滤器，以防止粉化的吸附剂灰尘进入真空泵。
3.3氧气增压机
在VPSA-O2系统中，氧气增压机可以选择活塞式氧气增压机、罗茨式氧气增压机或离心式氧气增压机，一般为罗茨式氧气增压机。氧气增压机的故障会影响吸附器的工作。氧气对温度、油料、火花敏感。如果使用活塞式氧气增压机，则要防止油与氧气混合导致的汽缸排气温度突然上升并连锁停车。如果使用罗茨式氧气增压机，非平衡式双端面机械密封［10］可以从径向、轴向两个方向实现密封;墙板的开式结构，使漏出的氧气在低浓度下向外扩散，以减少事故;软水对机封密封端面冷却与，杜绝用油作为封液的隐患。
4控制系统
4.1切换阀
切换阀，也叫程控阀。使吸附器在吸附、均压、顺放、逆放、冲洗等状态下进行正常切换的切换阀包括原料风机出口阀、真空风机进口阀、产品氧气出口阀、冲洗阀、平衡阀(均压阀)等，一般为气动或液动，与DCS或PLC相连实现计算机程序控制，不仅切换周期短，连续运行一年下来动作上百万次。管道试车时未吹扫干净的焊渣、铁锈等杂质，会对切换阀密封面造成损伤。在分子筛使用到中后期时，仪表导压管如果被分子筛粉尘严重堵塞，则会导致切换阀阀芯密封面吸附大量粉尘，使切换阀内漏。压缩机出口气体中的硫化物及碳化物使切换阀内的阀杆、阀座和平衡缸的密封槽等部件腐蚀、积碳严重，因此关不严。空气中的腐蚀性成分，对切换阀阀芯会造成腐蚀破坏。灰尘伴随空气进入电磁阀的通孔，堵塞进、排气口，易导致电磁阀故障。在风沙大的地方，切换阀的电磁阀和滑阀排气孔进沙，导致电磁阀和滑阀时常卡住不动，造成切换阀不动作，不得不用大布封住排气口或者安装防尘帽。在冬季，仪表空气若带水，在切换阀处有积水结冰，导致切换阀动作失灵。此时，定期更换仪表空气干燥剂，并在仪表空气进装置前设置空气加热器提高仪表空气温度。为了使实现切换阀开关的电磁阀阀芯动作自如，电磁阀的气源系统加装干燥器、脱水器、过滤器，使气源含尘量尽可能小一些。驱动切换阀的液压驱动系统的管道采用不锈钢，以防止管道锈斑而影响阀门动作。对切换阀门，加装切换阀门同步监测系统(以毫秒计时)，以准确判断阀门动作时间差，提高阀门故障的判断力。切换阀的控制部分———液压伺服系统是切换阀能否正常使用的关键之一。VPSA-O2控制系统的直接控制对象是电磁阀。每个电磁阀对应一个切换阀，通过电磁阀的开关来控制切换阀的通断。电磁阀本身出现问题而被卡时，会使切换阀不能按规定的程序动作或开关不到位，导致产品氧气的纯度降低。以液压油作为动力靠电磁阀带动开启与关闭的切换阀，当电磁阀运行中由于液压油太脏(固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物)和污染能量(液压系统内的热能、静电、磁场和放射线等的有害影响)，供油用的多台油泵其中一台油泵故障导致的油压太低甚至停油，天气炎热下液压油反复压缩后热量不能及时散去，因机械油本身组分分解，或者因油冷却器泄漏而使冷却水进入油箱内，均使油的性能减弱。在有些地方，冬季地面温度甚至达－20℃，使液压油黏度增大，导致切换阀动作缓慢甚至卡住，影响正常生产。此时，对PSA切换阀和液压油站被迫加伴热以排除故障。油活塞密封环磨损后密封不好导致阀杆抱死关不到位即卡死;油活塞密封环抱死油活塞导致切换阀无法动作。切换阀的防爆等级不应低于GB50058—1992爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范的规定。切换阀特别设计的阀门关闭缓冲结构可减少切换阀频繁关闭的冲击负荷。切换阀上铸钢材质的气缸比铝质气缸更耐磨，“艾志”胶圈的密封性能更好。Neles-James-bury自动切换阀具有无故障切断150万次以上的优点，但是价格昂贵。日本NBS气动蝶阀带阀位开关反馈，带有quickexhaust。密封自补式三偏心液压程控蝶阀［11］，是由计算机集成液压操纵机构控制程序控制的，开关速度小于2s，使用寿命≥200万次。
4.2仪表元件
在VPSA-O2装置仪表用气仅由一套系统独立供给的情况下，运行中，一旦仪表空气系统的螺杆空压机故障，则引起整套设备联锁停机。VPSA-O2装置仪表需要的空气，不仅由外部空压机站仪表空气管路供给，还要由制氧站内独立的仪表空气系统供给，使两路仪表压缩空气系统互相形成备用，提高系统运行的稳定性。VPSA-O2装置旋涡流量变送器电缆口如果采用蛇皮管连接，用密封性好的防爆胶泥［12］密封，即使处于室外并且下雨和潮气入侵，也会确保氧气流量指示正常。真空泵接触器辅助触点设置380VAC的中间继电器，以防止PLC控制系统在较低电压供电时接触不良导致PLC系统收到很短的真空泵停转的假信号而致使切换阀受PLC控制全部回到起始位置的跳闸故障。在VPSA-O2系统运行过程中，包括吸附、均压、放空、冲洗等在内的整个操作周期太长会影响产品氧气的流量与纯度，特别是均压和冲洗步骤。通过改变电磁阀门的接线，改变切换阀门的动作次序，对PLC程序中的相应步骤作些变动以达到时控要求。配有开启速度调节的切换阀避免均压和逆放时阀门突然开启对设备和吸附剂造成的冲刷磨损。在用氧气量减少或短时不用氧气的情况下，使VPSA控制系统具有暂停(Turndown)的功能，使设备在节流状态下运行，降低开停机对设备的损坏。氧气增压机的PLC由单独操作站监控，并在VPSA-O2操作站预留氧气增压机监视程序，以便在氧气增压机操作站故障时随时接入VPSA-O2操作站，以避免事故扩大。使鼓风机电机后轴承温度、鼓风机电机三相绕组温度、真空泵电机后轴承温度、真空泵电机三相绕组温度由专门设置的仪表控制盘引入PLC控制系统，为鼓风机、真空泵的运行状态监测和故障诊断提供数据保障。
5结语
VPSA-O2设备的氧气产量可达到15000m3/h。VPSA-O2系统基建费用仅占设备总投资的5%～10%。VPSA-O2系统能耗在0.75kWh/m3，氧气单位成本甚至达到0.3～0.5kWh/m3，氧气纯度在93%～95%。VPSA-O2系统停车后，重新开车5～30min后就能出产品，能随时停车。VPSA-O2系统能全自动无负荷运转，正常维修保养停机时间约5d/a。相对于深冷空分系统，VPSA-O2系统虽然投资更少、见效快、更经济实用、运行能耗更低、运行更平稳，但是仍存在标准化低、可供纸厂选择的VPSA-O2系统设计制造企业不太多、程控阀早于设计寿命就发生漏气故障而被迫停车等威胁VPSA-O2系统安全、正常运行的隐患。导致VPSA-O2系统停机的因素有些属于人为原因:加油孔孔盖上与外界换气的塞网堵塞后没有及时维护清理;对于切换阀，阀门定位器开度校验调整不及时，或者没有定期对电磁阀的清洗、紧固。有些故障则属于小问题没有得到重视:阀门仪表气源管经常发生接头漏气和铜管断裂故障因为设计的气缸支架、仪表气源管的减振性能不好。VPSA-O2系统运行中再生出的富氮气体应该采取措施加以收集利用。实际上，富氮气体可以用于粮食的贮藏、飞机燃油箱抑爆和浮顶油罐的火灾或爆炸的防范等。由于吸附床更换吸附剂所产生的废渣其成分为硅铝酸盐，VPSA-O2系统每隔10年可将硅铝酸盐用于焊条以提高不锈钢焊接接头的抗气孔性能、研制粉煤灰硅铝酸盐水泥、合成群青蓝颜料等。